劉煥寶，周惠興，2，劉小龍，王緒涵，余賀杰

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京海淀 100083；2.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京西城 100044）

1 引言

膳食不平衡已成為引發(fā)我國城鄉(xiāng)居民健康問題的主要誘因[1][2][3]。合理的膳食不僅能滿足人體的生長、發(fā)育和各種生理、體力活動的需要，而且還能保障不同年齡段人群的健康，減少疾病的發(fā)生。我國居民由于經(jīng)濟(jì)的差異和個人飲食習(xí)慣的單一化導(dǎo)致食物營養(yǎng)成分比例失衡，引起體內(nèi)某些營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素的缺乏，從而誘發(fā)各種潛在的健康問題，如微量元素缺乏癥、維生素缺乏癥、蛋白質(zhì)攝入不足等。多材料食品3D打印技術(shù)將成為解決膳食平衡問題的有效措施。

目前，國內(nèi)關(guān)于食品打印的研究仍處于初級階段，3D食品打印的基礎(chǔ)理論研究相對薄弱，但隨著人口老齡化加重以及人們對健康食品要求的提高，國內(nèi)對3D食品打印的需求將變得更加旺盛。清華大學(xué)[4]于2015年研發(fā)了用于實(shí)現(xiàn)卡通造型煎餅打印的3D打印機(jī)；浙江大學(xué)[5]于2016年研制出3D食品打印機(jī)用來制造個人定制的專屬食物。但都是食品的簡單成型，沒有實(shí)現(xiàn)膳食平衡等個性化要求。

國外3D打印[6]在食品方面的應(yīng)用相對較多且應(yīng)用對象廣泛。西班牙創(chuàng)業(yè)公司Natural Machines于2013年研制出全世界第一臺3D食品打印機(jī)，該打印機(jī)內(nèi)設(shè)五個裝有不同材料的“墨盒”用來存儲碳水化合物、蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)制成的食材，通過該打印裝置最終形成食品；據(jù)美國《每日日報(bào)》報(bào)道，美國軍方研發(fā)了一款3D打印機(jī)，其打印出的食品營養(yǎng)價(jià)值極高，主要用于軍隊(duì)食品補(bǔ)給；Ryo Serizawa[6]等研制了可食用凝膠用于新食品的開發(fā)，基于噴墨式打印機(jī)打印適合老年人食用的軟性食物，同時B.Mishra[7]等也采用3D打印技術(shù)制備出軟性食物。Watzke[8]等基于定制化營養(yǎng)的概念，研制出新型的食品材料，并通過3D打印技術(shù)成功地打印出個人定制化的食物。在傳統(tǒng)的食品供應(yīng)鏈下，多營養(yǎng)物質(zhì)需求的滿足需要更多的花銷，而3D打印技術(shù)的引入，成功解決了多營養(yǎng)食品的供應(yīng)問題，從根本上減少資源消耗，降低了成本。

應(yīng)該指出的是，雖然3D食品打印技術(shù)在國外的研究相對較多，但適應(yīng)中國國情的3D食品打印的研究很少，由于我國人民體質(zhì)和飲食習(xí)慣的不同，因而對3D食品打印機(jī)在膳食平衡方面的應(yīng)用和推廣具有不同的要求。

2 3D食品打印的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種新型的快速成形技術(shù)，它是一種以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，利用光敏樹脂、粉末狀金屬或塑料、膠濁狀食品材料、生物細(xì)胞等可粘合材料，利用溫度、壓力控制系統(tǒng)，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造實(shí)體模型的技術(shù)，具有成本低、成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)、制造速度快、節(jié)約時間、設(shè)計(jì)制造一體化等顯著優(yōu)勢。目前，3D 打印在航空航天、汽車、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等高端領(lǐng)域發(fā)展迅猛，而在食品領(lǐng)域的發(fā)展相對比較緩慢。

針對3D打印技術(shù)在膳食平衡和新食品開發(fā)領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢以及打印技術(shù)在航空航天、汽車、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等高端領(lǐng)域的技術(shù)儲備，開發(fā)新型的食品打印機(jī)，其關(guān)鍵研究技術(shù)如下，如圖1所示：

圖1 3D打印機(jī)整體組裝結(jié)構(gòu)圖

1）食品材料的制備技術(shù)

利用人體健康檢測的醫(yī)療設(shè)備對不同人體進(jìn)行檢測，獲取不同人體微量元素缺乏的狀況，進(jìn)而得到不同個體所需營養(yǎng)成分配方表?；谒锠I養(yǎng)配方表研發(fā)新型的食品材料，食品材料的研發(fā)是食品3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)，以打印多營養(yǎng)和多微量元素食品為目標(biāo)的食品材料的開發(fā)，有助于滿足不同人體平衡膳食的需求。為保證營養(yǎng)元素和微量元素的營養(yǎng)效能，通過研究營養(yǎng)元素和微量元素的營養(yǎng)效能與溫度之間的變化關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化含有多營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素的食品材料的配置過程；開發(fā)適合于3D打印個性化制造食品的食材和配方。

2）食品3D打印專用噴頭技術(shù)研究

打印噴頭技術(shù)是研發(fā)3D食品打印裝備的關(guān)鍵技術(shù)。本部分將依據(jù)食品材料自身特性和食品的成型需求，在已有噴墨打印技術(shù)[9]、擠壓式打印技術(shù)[10]和激光打印技術(shù)[11]的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的適用于食品打印的專用噴頭技術(shù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)噴頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)多材料打印的技術(shù)。1）食品打印專用噴頭技術(shù)的研發(fā)。針對現(xiàn)有打印噴頭技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種高精度且適合用于食品打印的新型多材料打印噴頭?；诂F(xiàn)有打印噴頭技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，通過試驗(yàn)獲取在不同食品材料作用下，不同打印噴頭技術(shù)的使用條件。

3）噴頭的打印環(huán)境控制研究

噴頭的打印環(huán)境控制是影響營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素自身營養(yǎng)效能的關(guān)鍵因素，是實(shí)現(xiàn)材料擠出和成型的必不可少的步驟。噴頭打印環(huán)境的研究內(nèi)容主要包括溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)兩部分。

i）溫度控制系統(tǒng)的研究。根據(jù)不同材料的自身特性，如粘度、活性等因素，設(shè)計(jì)噴頭前端溫度控制系統(tǒng)和后端溫度控制系統(tǒng)。噴頭前端控制系統(tǒng)，即控制噴頭內(nèi)的溫度實(shí)現(xiàn)材料擠出或熟制的過程。根據(jù)不同的食品材料溫度與粘度、營養(yǎng)效能之間的變化關(guān)系，研發(fā)新型的多溫度控制系統(tǒng)，研究不同營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素對應(yīng)的噴頭溫度控制范圍以及控制方式，達(dá)到食品材料可均勻受熱且不影響食品成型的效果。后端溫度控制系統(tǒng)，即控制食品材料被擠出后的熟制過程。新型的3D打印食品熟制過程，可實(shí)現(xiàn)食品材料的熟制過程中溫度的控制，防止出現(xiàn)因打印過慢造成食品受熱不均勻的“焦糊”現(xiàn)象。

ii）壓力控制系統(tǒng)研究。新型的食品制造的3D打印裝備具有多材料多噴頭打印功能，打印過程中每個材料管路中的壓力要分別可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同管路中材料的分別擠壓，通過材料的擠出的均勻度檢測噴頭打印過程中材料的分布情況，進(jìn)一步優(yōu)化噴頭壓力控制系統(tǒng)。

4）食品3D打印軟件研發(fā)

通過食品3D打印的軟件，用戶在圖形界面上繪制出食品平面造型或三維模型之后，能直接生成食品打印方案，包括3D打印工藝和程序，使得個人打印定制食品成為簡單易學(xué)的“傻瓜”式操作。用戶也可以不用任何編程，而只是根據(jù)自己身體的實(shí)際狀況選擇不同的選項(xiàng)，然后打印即可。

3 食品打印的應(yīng)用

用于食品打印的3D打印機(jī)，具有多樣性、營養(yǎng)均衡、定制性等特點(diǎn)。

多樣性主要包括食品打印方式的多樣性其中主要體現(xiàn)在噴頭上，根據(jù)噴頭的種類分為氣壓擠出式食品打印機(jī)，電機(jī)擠出式打印機(jī)，機(jī)械裝置的打印機(jī)等，該打印機(jī)在新食品的制造與開發(fā)具有廣泛的應(yīng)用前景。

營養(yǎng)均衡特點(diǎn)，3D食品打印所用到的食品打印材料，可根據(jù)醫(yī)學(xué)檢測中人體中營養(yǎng)元素、微量元素等的缺失情況，研發(fā)和搭配適合的食品材料，進(jìn)而使人體中的營養(yǎng)元素均衡，也進(jìn)而促進(jìn)食品材料開發(fā)與研究。

定制化特性，3D食品打印技術(shù)不僅可以為兒童、老年人及不同年齡段的人群提供定制化的營養(yǎng)均衡的飲食，而且可液化并凝結(jié)成膠狀物的食材可打印出各式各樣的食物，容易咀嚼和吞咽，這將成為老齡化社會食品飲用鑒定基礎(chǔ)。同時，3D食品打印技術(shù)的成功研發(fā)不僅能加快3D打印在食品行業(yè)的發(fā)展，同時能促進(jìn)新材料和新食品的開發(fā)，促進(jìn)食品產(chǎn)業(yè)的改革。

4 結(jié)論

基于3D打印技術(shù)研究新型的膳食智能平衡方法與裝備。首先，利用現(xiàn)有的醫(yī)療儀器，對不同人體的健康指標(biāo)進(jìn)行檢測，獲得不同人體的微量元素缺乏狀況，進(jìn)而得到所需營養(yǎng)配方表；其次，研發(fā)定制化的食品材料，根據(jù)不同人體的所需營養(yǎng)配方表，分別獲取制備食品材料的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而開發(fā)新型的、適合于3D打印的食品材料和成型工藝，滿足不同個體的需要；然后，研發(fā)新型的用于膳食平衡的3D打印裝備，該裝備具備完善的溫度和壓力控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多材料多噴頭打??；最后，基于上述對膳食智能平衡方法與裝備的研究，根據(jù)人體微量元素的缺乏狀況，合理搭配食品材料，通過3D建模的方式，在計(jì)算機(jī)上建立外形各異的食品模型，通過3D打印裝備對食品材料進(jìn)行定制化的打印，最終獲得滿足個人身體營養(yǎng)需求的食品。

3D打印食品材料配方及成型工藝、食品3D打印平臺的設(shè)計(jì)與制造、食品打印專用噴頭的研發(fā)、溫度和壓力控制系統(tǒng)的研發(fā)、3D食品打印軟件的研發(fā)，所研發(fā)的新裝備標(biāo)志著智能3D打印在膳食平衡和新食品開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展方向。用于食品3D打印機(jī)將奠定3D打印在食品領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)，并逐步形成基于3D打印食品裝備的新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局。實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)之后，將可以實(shí)現(xiàn)食品裝備的升級換代，降低成本，減少開支。

基于3D打印的膳食智能平衡方法與裝備成功應(yīng)用，不僅需要引導(dǎo)人們進(jìn)行合理的食品消費(fèi)，平衡膳食，保障個人健康，而且還可以成為政府發(fā)展食品制造產(chǎn)業(yè)、規(guī)劃食品市場的依據(jù)。我國正處于從溫飽到小康的膳食結(jié)構(gòu)過渡期，需要及時從政策及公眾教育兩方面正確引導(dǎo)人們的飲食和消費(fèi)觀念，這樣做有助于減輕疾病和食品制造對未來社會造成的負(fù)擔(dān)，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益不可估量。

[1] Xu X，Hall J，Byles J. Shi Z（2015） Assessing Dietary Quality of Older Chinese People Using the Chinese Diet Balance Index（DBI）. PLOS ONE，10（3）：e0121618. doi：10.1371/journal.pone.0121618

[2] Carlson A，F(xiàn)raz?o E. Food Costs，Diet Quality and Energy Balance in the United States.Physiology & Behavior，2014（134）：20-31.

[3] 劉鵬.我國居民膳食結(jié)構(gòu)變化趨勢及影響因素分析[D].山西財(cái)經(jīng)大學(xué)，2016.

[4] Antlej K， Leen R，Russo A. 3D Food Printing in Museum Makerspaces： Creative Reinterpretation of Heritage. KnE Engineering 2017， 2（2）， 1.

[5] 朱偉杰.高粘度材料三維打印機(jī)開發(fā)及食品藥品打印研究[D].浙江大學(xué)，2015.

[6] Sun J，Zhou W，Huang D，et al.An Overview of 3D Printing Technologies for Food Fabrication.Food and Bioprocess Technology2015， 8 （8），1605-1615.

[7] Serizawa R， Shitara M， Gong J， et al. In 3D Jet Printer of Edible Gels for Food Creation，2014; pp 90580A-90580A-6.

[8] Altan A， McCarthy K L， Maskan M. Effcet of Extrusion Cooking on Functional Properties and in Vitro Starch Digestibity of Barleybased Extrudates from Fruit and Vegetable byproducts. Journal of Food Science. 2009，74（2）：77-86.

[9] Lee W Y. Graphene Supercapacitor Electrodes Fabricated by Inkjet Printing and Thermal Reduction of Graphene Oxide. Electrochemistry Communications 2011，13（4）， 355-358.

[10] Ozbolat I T，Hospodiuk M. Current Advances and Future perspectives in Extrusion-based Bioprinting. Biomaterials， 2016（76）：321-343.

[11] Ovsianikov A， Deiwick A， Van Vlierberghe S，et al. Laser Fabrication of Three-dimensional CAD Scaffolds from Photosensitive Gelatin for applications in Tissue engineering.Biom acromolec ules，2011，12（4）， 851-858.